第十章數(shù)控機床的閉環(huán)控制系統(tǒng).

1、第十章數(shù)控機床的閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)前面所述的開環(huán)系統(tǒng)，三大缺點： 1。精度不夠高 步進電機步距有限，無法無限細，步距小，速度慢，另外對機床傳動機構(gòu)精度要也高。 2。功率小 3。無法知道有無失步 目前，一般要求較高的數(shù)控機床大多采用交、直流伺服電機驅(qū)動的閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一。全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 位置檢測安裝在工作臺上 工作原理 ：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差只取于位置檢測單元的誤差，與機床傳動部分沒有關(guān)系。 二。半閉環(huán)控制系統(tǒng) 位置檢測直接接在伺服電機轉(zhuǎn)軸上，另外還有速度檢測器工作原理： 一般速度用測速發(fā)電機檢測，位置用軸角編碼盤檢測。 半閉環(huán)的特點 ： 由于機床的傳動部分放在半閉環(huán)系統(tǒng)以外，因而這部分傳動誤差

2、無法克服，但比起開環(huán)，精度仍要高許多。 另外，比全閉環(huán)穩(wěn)定（全閉環(huán)易振蕩）三。描述全閉環(huán)、半閉環(huán)的性能指標(biāo) 1。分辨率： 開環(huán)：步進電機的步進當(dāng)量位移閉環(huán)：檢測系統(tǒng)的最小檢測量 2。精度 ：也即系統(tǒng)的誤差，精度一般不高于檢測系統(tǒng)的精度 3。跟隨誤差 開環(huán)不存在，閉環(huán)是指命令值與反饋值之差 4。運行速度 開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)的差異是：A.輸出驅(qū)動電路是否包含反饋回路，及反饋回路的形式不同。B.是指機床工作臺是否包含位置檢測裝置及檢測裝置的形式是否相同。C.控制系統(tǒng)機箱是敞開式還是封閉式以及是否需要屏蔽等的差異。四。閉環(huán)系統(tǒng)的控制特點 位置檢測采用定時采樣，所以控制輸出也采用定時控制，在每

3、個采樣周期，計算機比較指令值與反饋值偏差，然后控制伺服電機運轉(zhuǎn)，所以通常用時間分割法插補運算實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動。五.數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)的偏差 指令增量值 ，反饋增量值之差為偏差 De=Dr- Df 若把前一時刻遺留的偏差Dei-1計算在內(nèi) Dei=DriDfi+Dei-1 閉環(huán)系統(tǒng)即將此偏差值經(jīng)過放大（增益系數(shù)KD）變成伺服電機的轉(zhuǎn)速的數(shù)字指令VD，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后得到模擬電壓VP此VP驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動. 要使系統(tǒng)達到一穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏差De也將維持一穩(wěn)定值，叫跟隨偏差 102閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測 一。要求： 精度：1以下（可達0.5u）速度 ：10m/min20m/min二。分類 三。絕對型光電編碼

4、器 絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。q 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理n 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；道的刻線數(shù)相等；n對應(yīng)每圈都有光電傳感器；對應(yīng)每圈都有光電傳感器；n輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；比；n檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。故可測得被測軸的周向絕對位置。四位二進制編碼盤四。增量型光電編碼器 信號處理裝置a

5、bz光電盤透鏡光源光電元件圓盤透光狹縫光欄板節(jié)距AABBZZm+/4 數(shù)字顯示 信號處理電路 光電盤 圓盤 光電元件 聚光鏡 光源 節(jié)距節(jié)距PAB90 90 實際的光電編碼盤光電型位置傳感器還有光柵尺尺子移動方向 莫爾條紋 條紋移動方向 根據(jù)定尺、動尺上的條紋間距，以及測出莫爾條紋的移動條數(shù)即可算出光柵尺位移。 有反光型（玻璃、鋁做成）有透光型如做成盤狀，則可測出旋轉(zhuǎn)角度，即圓光柵 干涉條紋的特點干涉條紋的特點當(dāng)當(dāng)d =0.01mmd =0.01mm，( (l00l00線線/ /毫米毫米)=0.01)=0.01弧度，紋弧度，紋距距W=1mmW=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大即利

6、用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100100倍的摩爾倍的摩爾條紋的寬度。條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1 1倍。倍。(1)(1)干涉條紋方向與干涉條紋方向與標(biāo)尺光柵的刻線幾標(biāo)尺光柵的刻線幾乎垂直。乎垂直。(2)(2)放大作用放大作用: :用用W W（mmmm）表示莫爾條）表示莫爾條紋的寬度，紋的寬度，d d(mm)(mm)表示柵距，表示柵距，(rad(rad) )為光柵線紋之間的為光柵線紋之間的夾角。夾角。ddWsind d光柵節(jié)光柵節(jié)距距摩爾條紋摩爾條紋節(jié)距節(jié)距W W光柵傾角光柵傾角光柵尺的基本工作原理基于莫爾條紋，莫爾條紋可以：A.增強通過光柵的光線強度

7、B.提高光柵刻度的分辨率C.僅作為放大光柵條紋D.放大光柵條紋，且起到平均光柵條紋間距作用三。旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種交流感應(yīng)電機，外形小巧，結(jié)構(gòu)簡單牢固，輸出信號強，抗干擾能力強。其工作原理與變壓器類似，但次級線圈及鐵心可旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理：cosmDLL兩線圈的互感：線圈D加入交流電：tUumDsin線圈 感應(yīng)電動勢：cossincostkUkuumDK為變壓器常數(shù)，即 =0時的變比sin)90cos(DDkukuu在次級上再加一線圈 ：實際的旋轉(zhuǎn)變壓器：D、G線圈在、線圈上感應(yīng)電壓： sin)90cos(cosDDDkukuukuuD對、G對、cos)90cos(GGkuuku

8、u若在D、G兩線圈加入：tUutUumGmDcossin)sin()90cos(coscossin)90cos(costkUtkUtkUkukuummmGD)cos(tkUum同理：旋轉(zhuǎn)變壓器工作時：A.轉(zhuǎn)子上加正弦交流電，定子信號反映轉(zhuǎn)角狀態(tài)。B. 定子上加正弦交流電，轉(zhuǎn)子信號反映轉(zhuǎn)角狀態(tài)。四。感應(yīng)同步器直線型-測直線旋轉(zhuǎn)型-測轉(zhuǎn)角 相當(dāng)于展開的多級旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器有兩種工作方式：1。感應(yīng)同步器在相位工作方式繞組繞組BtVVAtVVmcmscossin當(dāng)A繞組與定尺間相對量為 時 B繞組與定尺間相對量為-90 )sin(sincoscossintkVtkVtkVVmmmo)sin(sin

9、coscossintkVtkVtkVVmmmox滑尺位移感應(yīng)同步器的半節(jié)距相移（動、定尺之間）耦合系數(shù)xk2。感應(yīng)同步其工作在幅值工作方式繞組繞組BtVVAtVVmcmssincossinsintkVtkVtkVkVkVVmmmcsosin)sin(sinsincoscossinsin)90cos(cosVo的相位不變，但其幅度變化：)sin(mkV只要測出幅度變化，即可測出及位移x 控 制 電 機 從工作原理上看，控制電機和普通電從工作原理上看，控制電機和普通電機沒有本質(zhì)上的差異，但普通電機功率機沒有本質(zhì)上的差異，但普通電機功率大，側(cè)重于電機的啟動、運行和制動等大，側(cè)重于電機的啟動、運行和制

10、動等方面的性能指標(biāo)，而控制電機輸出功率方面的性能指標(biāo)，而控制電機輸出功率較小，較小，側(cè)重于電機控制精度和響應(yīng)速度。側(cè)重于電機控制精度和響應(yīng)速度。 第三節(jié)交直流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)n 控制電機按其功能和用途可分為控制電機按其功能和用途可分為信號檢測信號檢測和傳遞類和傳遞類控制電機及控制電機及動作執(zhí)行類動作執(zhí)行類控制電機兩大控制電機兩大類。執(zhí)行電機包括類。執(zhí)行電機包括伺服電機伺服電機、步進電機步進電機和和直線直線電機電機；信號檢測和傳遞電機包括；信號檢測和傳遞電機包括測速發(fā)電機測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器和和自整角機自整角機等。等。n 在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)在自動控制系統(tǒng)中，伺服

11、電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動機有為電機的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動機有直直流流和和交流交流之分。之分。伺服電動機 伺服電動機的作用是將輸入的伺服電動機的作用是將輸入的電壓信號電壓信號（即控制電壓）（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角角位移或角速度速度輸出。輸出。 在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。以伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。 伺服電動機

12、最大特點：伺服電動機最大特點： 有控制電壓時轉(zhuǎn)子有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子子立即停轉(zhuǎn)立即停轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。定的。 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 交流伺服電動機主要由交流伺服電動機主要由定子定子和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。構(gòu)成，如圖所示。 定子鐵心定子鐵心通常用硅鋼片疊通常用硅鋼片疊壓而成。壓而成。 定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組有兩相繞組，其中一相繞組是是勵磁繞組勵磁繞組，另一相繞組是，另一相繞組是控制繞組控制繞組。 1外定子鐵心；2杯形轉(zhuǎn)子； 3內(nèi)定子鐵心

13、；4轉(zhuǎn)軸；5軸承；6定子繞組 杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖伺服電動機結(jié)構(gòu)圖 特點：轉(zhuǎn)子電阻大轉(zhuǎn)動慣量小空心杯交流伺服電機 勵磁繞組勵磁繞組和和控制繞組：控制繞組： 兩相繞組在空間位置兩相繞組在空間位置上互差上互差90電角度。電角度。 工作時勵磁繞組與交流工作時勵磁繞組與交流勵磁電源相連，控制繞組勵磁電源相連，控制繞組加控制信號電壓加控制信號電壓 kU 交流伺服電動機原理圖交流伺服電動機原理圖 一、交流伺服電動機一、交流伺服電動機 轉(zhuǎn)子的形式有兩種轉(zhuǎn)子的形式有兩種:籠式轉(zhuǎn)子籠式轉(zhuǎn)子空心杯轉(zhuǎn)子空心杯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子:工作原理 交流伺服電動機的工作原理和電容分交流伺服電動機的工作原理和電容分相式相式

14、單相異步電動機相似單相異步電動機相似。 在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。靜止不動。 當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流不同相時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)組電流不同相時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)矩特性曲線 臨界轉(zhuǎn)差率S01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、

15、靈敏度高的特點 直流伺服電動機直流伺服電動機 1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的直流伺傳統(tǒng)的直流伺服電動機動實質(zhì)是容服電動機動實質(zhì)是容量較小的量較小的普通直流電普通直流電動機動機。 有他勵式和永有他勵式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機的結(jié)普通直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同。構(gòu)基本相同。 2基本工作原理基本工作原理 傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普通通直流電動機完全相同直流電動機完全相同。 依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動機轉(zhuǎn)動。矩，使伺服電動機轉(zhuǎn)動。 通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓

16、通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會出現(xiàn)零，電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”。轉(zhuǎn)矩特性直流伺服電機的驅(qū)動電路 PWM原理示意圖第4節(jié)脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)若在D、G兩線圈加入：tUutUumGmDcossin一。旋轉(zhuǎn)變壓器相位工作方式：)sin(tkUum)cos(tkUum相位工作狀態(tài)方框圖脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)數(shù)字式脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)：SM問題問題1：數(shù)字式脈沖數(shù)字式脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)中